Throughout the Cenozoic, the global climate gets successively cooler, but at least until the Pliocene temperatures in polar regions seem higher-than-present. It is not yet clear whether or not the Arctic Ocean was already ice-covered in the Miocene. Moreover, reconstructions for the atmospheric carbon dioxide concentration, as an important factor for climate, in the Miocene do not give a coherent view. Owing to the fact that ice-free conditions in the Arctic region related to low CO₂ or an ice-covered Arctic Ocean and high CO₂ appear to be enigmatic, we perform climate modelling sensitivity experiments for the Late Miocene considering different CO₂ concentrations. In order to get ice-free conditions in the Arctic Ocean, a CO₂ concentration of 1500 ppm is necessary at least. This appears to be unlikely for the Miocene and supports an onset of the Northern Hemisphere’s glaciation earlier than Late Miocene. As compared to future climate change scenarios with enhanced CO₂, the response on a CO₂ increase is slightly weaker in our Miocene sensitivity experiments. This is due to the decreased sea ice volume in the Miocene and the reduced ice-albedo feedback. We compare our sensitivity experiments with quantitative terrestrial proxy data to give an estimation for CO₂ in the Late Miocene. The Late Miocene runs with 360 and 460 ppm are most consistent with proxy data. The model validation, hence, supports an ‘intermediate’ carbon dioxide concentration in the Late Miocene, which is higher than present but lower than 500 ppm.

Resumen en Español

Experimentos de sensibilidad en modelos climáticos del Mioceno para diferentes concentraciones de CO2

Durante el Cenozoico, el clima global se hizo sucesivamente más frío, al menos hasta el Plioceno la temperatura de las regiones polares parece más alta que en la actualidad. Todavía no está claro si el Océano Ártico estaba ya cubierto de hielo en el Mioceno. Más aún, las reconstrucciones de la concentración de dióxido de carbono atmosférico, como un factor importante para el clima, no dan resultados coherentes en el Mioceno. Dado que tanto las condiciones de una región ártica sin hielo y bajo CO2, como las de un Océano Ártico cubierto de hielo y alto CO2 parecen enigmáticas, realizamos experimentos de sensibilidad en modelos climáticos para el Mioceno considerando diferentes concentraciones de CO2. Para tener condiciones sin hielo en el Océano Ártico, se necesita, al menos, una concentración de CO2 de 1500 ppm. Esto parece poco probable para el Mioceno y apoya el inicio de la glaciación del hemisferio Norte antes del Mioceno Superior. En comparación con escenarios de futuro cambio climático con CO2 elevado, la respuesta a un incremento de CO2 es más débil en nuestros experimentos de sensibilidad en el Mioceno. Esto se debe al reducido volumen de hielo marino en el Mioceno y, consecuentemente, al reducido albedo del hielo. Comparamos nuestros experimentos de sensibilidad con datos cuantitativos de indicadores (“proxies”) continentales para dar una estimación de la pCO₂ en el Mioceno Superior. Las ejecuciones del modelo con 360 ppm y 460 ppm son las más consistentes con datos de “proxies”. El modelo, por tanto, apoya una concentración “intermedia” de dióxido de carbono en el Mioceno Superior, que es más alta que la actual pero más baja de 500 ppm.

Palabras Clave: Mioceno Superior, modelos climáticos, experimentos de sensibilidad, CO2, comparación de “proxies”.

Translator: J.C. Braga

Résumé en Français

Modele expérimental d’impact climatique au Miocene pour differentes concentrations en CO₂

Durant le Cénozoïque, le climat global se refroidit étape par étape, au moins jusqu’au Pliocène les températures des régions polaires semblent plus élevées que maintenant. Jusqu'à maintenant, la présence ou non d’une banquise couvrant l’océan arctique au Miocène n’est toujours pas élucidée. De plus, les reconstitutions des concentrations de dioxyde de carbone atmosphérique, comme facteur climatique important au Miocène, ne donnent pas une vue cohérente. Dû au fait que des conditions sans banquise dans la régions arctique liées à un CO₂ faible ou un océan couvert de banquise et un CO₂ haut semblent énigmatiques, nous réalisons un modèle expérimental d’impact pour le Miocène supérieur considérant différentes concentrations de CO₂.

Pour obtenir des conditions sans banquise sur l’océan arctique, une concentration de CO₂ de 1500ppm est nécessaire au minimum. Cela parait improbable pour la Miocène et supporte un commencement de la glaciation dans l’hémisphère Nord antérieur au Miocène supérieur.

En comparant à des scénarios de changement climatique pour le futur comprenant un CO₂ accru, la réponse à l’augmentation de CO₂ est légèrement plus faible dans notre expérimentation d’impact au Miocène. Cela est dû à la diminution du volume de glace marine au Miocène et à la réduction de l’albédo glacière en retour. Nous comparons notre expérimentation d’impact avec des proxys terrestres pour donner une estimation du pCO₂ dans le Miocène supérieur. Le Miocène supérieur correspond à 360, et 460 ppm est le plus cohérent avec les données des proxys. La validation du modèle, donc, soutient une concentration de dioxyde de carbone ‘intermédiaire’ au Miocène supérieur, étant plus élevé qu’aujourd’hui mais plus bas que 500 ppm.  

MOTS CLES: Miocène, supérieur; modélisation du climat; expérimentation d’impact; CO₂; comparaison avec des données de proxy

Translator: Olivier Maridet

Deutsche Zusammenfassung

Sensitivitätsexperimente mit einem Klimamodell für verschiedene CO₂-Konzentrationen im Miozän

Das Klima im Känozoikum wird sukzessive kühler, allerdings scheinen zumindest bis zum Pliozän die Temperaturen in polare Regionen wärmer als heute zu sein. Es ist noch nicht klar, ob der Arktische Ozean im Miozän bereits eisfrei war oder nicht, und darüber hinaus zeigen auch Rekonstruktionen des atmosphärischen CO₂-Gehalts, als einem wichtigen Klimafaktor, kein kohärentes Bild für das Miozän. Die Tatsache, daß eisfreie Bedingungen der arktischen Region mit geringer CO₂-Konzentration verbunden sind oder daß umgekehrt ein eisbedeckter arktischer Ozean verbunden ist mit hohem CO₂, mutet etwas rätselhaft an, weshalb wir Sensitivitätsexperimente mit einem Klimamodell für verschiedene CO₂-Konzentrationen im Späten Miozän durchführen. Um eisfreie Bedingungen im arktischen Ozean zu erhalten, ist eine CO₂-Konzentration von mindestens 1500 ppm nötig. Dies ist für das Miozän unwahrscheinlich und stützt damit die Annahme, daß die nordhemisphärische Vereisung bereits vor dem Miozän begann. In unseren Sensitivitätsexperimenten für das Miozän ist die Reaktion auf einen CO₂-Anstieg etwas schwächer als in Szenarien eines zukünftigen Klimawandels, weil das Meereisvolumen im Miozän geringer und somit der Eis-Albedo-Rückkopplungsprozeß vermindert ist. Über einen Vergleich unserer Sensitivitätsexperimente mit quantitativen terrestrischen Proxydaten schätzen wir eine CO₂-Konzentration für das Späte Miozän ab. Die Modellsimulationen für das Späte Miozän mit 360 und 460 ppm stimmen am besten mit den Proxydaten überein, was die Annahme einer „intermediären“ Kohlendioxidkonzentration für das Späte Miozän stützt. Der atmosphärische CO₂-Gehalt im Miozän war höher als heute, jedoch geringer als 500 ppm.

SCHLÜSSELWÖRTER: Spätes Miozän; Klimamodellierung; Sensitivitätsexperiment; CO₂; Proxydatenvergleich

Translated by author

Translator: Ashraf M.T. Elewa

Polski Abstrakt

EKSPERYMENTALNE MODELOWANIA CZUŁOŚCI KLIMATU MIOCENU NA RÓŻNE STĘŻENIA CO₂

            Przez cały kenozoik światowy klimat ulegał stopniowemu ochłodzeniu, przynajmniej do momentu kiedy temperatury w rejonach polarnych w pliocenie osiągnęły poziom wyższy niż obecnie. Nie jest do końca jasne czy Ocean Arktyczny był pokryty lodem już w miocenie. Na dodatek rekonstruowanie zawartości dwutlenku węgla w atmosferze, jako ważnego czynnika wskazującego na klimat, nie dają spójnego obrazu dla miocenu. Mając na uwadze fakt iż okres kiedy Ocean Arktyczny był wolny od pokrywy lodowej jest związany z niskim poziomem CO₂ oraz niejasny związek obecności pokrywy lodowej i wysokiego poziomu CO₂, przeprowadziliśmy eksperymentalne modelowania czułości klimatu dla późnego miocenu z perspektywy różnej zawartości CO₂. W celu osiagnięcia całkowitego braku pokrywy lodowej na Oceanie Arktycznym niezbędna jest zawartość CO₂ przynajmniej na poziomie 1500 ppm. Taka zawartość wydaje się nieprawdopodobna dla miocenu i potwierdza zapoczątkowanie rozwoju zlodowacenia na półkuli północnej wcześniej niż w późnym miocenie. Porównując z późniejszymi prognozami klimatu o podniesionym poziomie CO₂, reakcja na podwyższenie poziomu tego gazu jest nieznacznie słabsza w naszych eksperymentach. Taki stan rzeczy wynika z obniżenia objętości morza pokrytego lodem w miocenie oraz zmniejszenia odpowiedzi odbijalności promieni słonecznych przez lód. Porównujemy wyniki naszych eksperymentów do jakościowych danych dotyczących zróżnicowania klimatu dla lądu w celu oszacowania pCO₂ w późnym miocenie. Wartości dla późnego miocenu wynoszą 360 ppm natomiast wartość 460 ppm jest najbardziej zgodna z danymi obrazującymi zróżnicowanie klimatu. Otrzymany model potwierdza „pośrednią“ zawartość dwutlenku węgla w późnym miocenie, wyższą niż obecna ale mniejszą niż 500 ppm.

Słowa kluczowe: miocen, późny, modelowanie klimatu, eksperymentalne badanie czułości, CO₂, porównanie danych dotyczących zróżnicowania klimatu

Przetłumaczył: Robert Bronowicz